School of Material and Chemical Engineering
西安工业大学材化学院
焊接冶金学--基本原理
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
3.1 熔池凝固
3.1.1 熔池凝固的条件和特点
1.熔池凝固的条件: 晶核生成和晶核长大
2.熔池凝固的特点（相比较钢锭的差别）
（1）焊接熔池体积小，冷却速度高； 最大100g，平均4~100 ℃ /s，约为铸造的104。淬硬。裂纹。 （2）焊接熔池的液态金属处于过热状态 熔池1770±100℃; 钢锭<1550 ℃。烧损严重
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焊接冶金学--基本原理
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
4、焊接条件下的凝固（结晶）形态
(1)温度梯度及结晶速度的影响（基本趋势） 在焊缝的熔化边界，由于温度梯度G较大，结晶速度R又较小，故 成分过冷接近与零，所以平面晶得到发展。向焊缝中心过渡时， 温度梯度G逐渐变小，而结晶速度逐渐增大，所以结晶形态有平 面向胞状晶、树枝晶、等轴晶发展。
d)G<0时的界面结晶形态
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焊接冶金学--基本原理 2.固溶体合金的结晶形态
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
合金结晶温度与成分有关，先结晶与后结晶的固液相成分也不相 同，造成固液界面一定区域的成分起伏，因此合金凝固时，除 了由于实际温度造成的过冷外( 温度过冷)，还存在由于固液界 面处成分起伏而造成的过冷，称为成分过冷。所以合金结晶随 过冷的不同晶体成长也不同。
2 y 2 z 1 2
薄板上自动焊：
q cos 1 A T M
2
K2 y 1 K2 y

1 2
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θ=0°,E’K=0,液相中存在悬浮质点和 某些现成表面。形核容易。 θ=180°,E’K=EK，只存在自发形核。 形核较难。 研究表明，焊接熔池结晶，非自发形核主导。
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焊接冶金学--基本原理
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
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第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
焊接工艺参数与θ（0~90°）关系：(熔池半椭球体假设）
厚大件上快速堆焊：
K K qV cos 1 A 2 2 TM 1 K y K z
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第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
结晶形态主要决定于 合金中的 溶质的浓度C0、
C0 ％
等轴晶
树枝状晶
胞状树枝晶
结晶速度R和
液相中温度梯度G 的综合作用。
G / R 1/2 图3－28 C0、R和G对结晶形态的影响 胞状晶 平面晶
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焊接冶金学--基本原理 （3）、胞状树枝结晶
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
产生条件：过冷度稍大。 特征：主干四周伸出短小二次横枝，纵向树枝晶断面胞状。
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焊接冶金学--基本原理 （4）、 树枝状结晶
焊接冶金学--基本原理
第2章 焊接化学冶金
焊接冶金学-基本原理
主讲:惠增哲 王喜锋
西安工业大学材化学院 2012年9月
共需 4学时
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第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
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焊接冶金学--基本原理
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
a)G>0时的温度分布
b)G<0时的温度分布
c)G>0时的界面结晶形态
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3、成分过冷对结晶形态的影响
过冷度不同，就会使焊缝出现不同的形态，大致可以分五种结晶 形态。
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焊接冶金学--基本原理 （1）、平面结 晶
产生条件：过冷 度＝0，无成分过 冷 特征：平面晶（G 正温度梯度很大 时） 平面结晶形态发 生在结晶前沿没 有成分过冷的情 况下。
关于θ： θ越小，湿润性越好， θ大小取决于新相晶核与现成表面之 间的表面张力。若结构相似，表面张力越小，θ越小，那么形 核需要能量越小。 这说明，在已有同一物质的固体表面形核所需能量最小，形核最 容易。 焊接条件下非自发形核： 熔合区加热到半熔融状态基本 金属的晶粒表面，并以柱状晶的 形态向焊缝中心成长，联生结晶 （起主要作用）。 合金元素或杂质（一般作用不 大）。如何细化晶粒？
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
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焊接冶金学--基本原理 (2) 胞状结晶
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
产生条件：过冷度很小。 特征：断面六角形，细胞或蜂窝状。
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晶粒主轴成长方向与结晶等温面正 交，并以弯曲状向焊缝中心生长。
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第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
ds dx cos
ds dx cos dt dt
vc v cos
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ห้องสมุดไป่ตู้ 焊接冶金学--基本原理
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
（3）熔池在运动状态下结晶 结晶前沿随热源同步运动 液态金属受到力的搅拌运动
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焊接冶金学--基本原理 3.1 熔池凝固
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
3.1.1 熔池凝固的条件和特点 3.1.2 熔池结晶的一般规律 3.1.3 熔池结晶速度和方向 3.1.4 熔池结晶的形态 3.1.5 焊缝金属的化学成份不均匀性
3.2焊缝固态相变 3.3焊缝中的气孔、夹杂 3.4 焊缝性能的控制 3.5 焊接熔合区
1、熔池中晶核的形成
熔池中晶核的生成分为：非自发晶核、自发晶核。形成两种晶核 都需要能量。
EK （1）自发形核：
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16 3 3 FK 2
б：新相与液相间的表面张力系数。 ΔFK：单位体积内液固两相自由能之 差。
主要内容： 3.1熔池凝固 3.2焊缝固态相变 3.3焊缝中的气孔、夹杂
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焊接冶金学--基本原理
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
焊接冶金学主要内容 焊接接头形成 以熔化焊为例，焊接过 程经过了 加热— 焊接热过程 熔化— 焊接化学冶金过程 冶金反应— 焊缝结晶及焊接组织 结晶— 焊接热影响区的组织与性能 固态相变— 焊接裂纹 接头
3.1.4 熔池结晶的形态
符合 一般结晶理论，本课程仅分析焊接中的特色部分。
1、纯金属的结晶理论
（1） 正温度梯度 液相温度高于固相温度，且距界面越远，液相温度越高， 称为正温度梯度，G>0。纯金属焊缝凝固时，属于此类，是 平晶。 （2） 负温度梯度 当距界面越远液相的温度越低，称为负温度梯度，G<0。 由于过冷度大，晶体成长速度快，形成树枝状晶。
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
产生条件：过冷度进一步增大。 特征：主枝长，主枝向四周伸出二次横枝，并能得到很好的生 长。
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焊接冶金学--基本原理 （5）、等轴晶
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
产生条件：过冷度大，温度梯度小。 特征：结晶前沿长出粗大树枝晶，液相内，可自发生核，形成自 由长大的等轴树枝晶。
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第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
结论： （1） 晶粒成长的平均线速度是变化的，在熔合线上最小，在焊 缝中心最大，vc=0～v。 Ky=1， cosθ=0, θ =90°,Vc=0, 说明熔合区上晶粒开始成 长的瞬间，成长的方向垂直于熔合区，晶粒成长的平均线速度 等于零。 Ky=0，cosθ =1, θ=0°,Vc=V, 说明晶粒成长到接触X轴时， 晶粒成长的平均线速度等于焊接速度，且方向一致。 （2） 焊接工艺参数对晶粒成长方向和平均线速度均有影响 。 当焊接速度越大时，θ角越大，晶粒主轴的成长方向越垂直于 焊缝的中心线；相反，当焊接速度小时，则晶粒主轴的成长方 向越弯曲。